直驅風機HVRT兩種直流側卸荷方法對比仿真研究*

2018-12-04 06:15:26李朋宇何山王松王杰陳先飛粱繼存

電測與儀表 2018年22期

李朋宇，何山，王松，王杰，陳先飛，粱繼存

(1.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830049；2. 可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，烏魯木齊 830049)

0 引言

面對日益嚴峻的環境問題，世界各國開始大力發展風電。風電行業在我國經濟的長期發展中占有重要地位，因此風電機組的安全穩定運行對電網的影響已經得到國內外學者的廣泛關注[1-3]。為了降低風電脫網對電網運行的影響[4-8]，我國《風電并網技術規程》規定并網的風電機組必須具備低電壓穿越能力(Low Voltage Ride Through, LVRT)。近些年來的事故表明，在低電壓故障消除后，接入風電場的高壓線路可能發生電壓驟升現象，另外，大量無功補償設備的投入，風電負荷突然急劇減少等因素也會引起電網電壓的驟升，嚴重的將引起風電場脫網。永磁直驅同步風電機組通過全功率變流系統連接到電網上，省去用于傳動的齒輪箱，同時低損耗、維護費用低、調速范圍寬、效率高[9-12]。相比于雙饋風電機組，由于PMSG與電網實現了解耦，直驅風電機組的電壓穿越能力更好[13-14]。

與風電機組的低電壓穿越相比，風電機組電壓驟升會帶來并網逆變器控制裕度下降，若失控將導致能量倒流從而引起直流側過電壓或過電流。按照對于故障期間多余能量的處理方式，主要有以下兩種方法：第一種方法是消耗型卸荷電路，其原理主要是通過卸荷電阻來消耗多余能量。文獻[15]主要提出一種新的改變網側變流器的控制策略，通過Crowbar卸荷電路和提供無功電流從而實現直驅風電機組的高電壓穿越；文獻[16]主要采用直流母線斬波電路實現風電機組的高電壓穿越。第二種方法是采用儲能型卸荷電路，其原理主要是通過儲能裝置把多余能量儲存起來，待故障結束后再將多余能量釋放。文獻[17]提出采用超導磁儲能提升雙饋風機高電壓穿越能力；文獻[18-20]提出了一種電池和超級電容組成的混合儲能技術，從而實現直驅風電機組電壓穿越能力的提高。

以2.5 MW直驅風力發電系統為研究對象，網側變流器在穩態時采用單位功率因數控制，暫態時采用無功優先的控制策略，在電網電壓三相對稱故障下，對直驅風電機組在直流母線斬波電路卸荷和超級電容儲能系統實現高電壓穿越進行對比研究。

1 各國對高電壓穿越標準

國外最早開始風電機組高電壓穿越的研究，不同國家以及地方電網公司，制定了不同的高電壓穿越標準。國外部分國家和地區對于高電壓穿越的標準如圖1所示。

圖1 國外高電壓穿越要求

并網準則要求風電機組在曲線以上區域不允許脫網，并對時間有嚴格要求。最早提出風電機組高電壓穿越要求的國家是澳大利亞：當電網側電壓驟升至1.3Un，并網機組在60 ms內不脫網，并且提供足夠大電流以幫助電網電壓恢復；德國某公司制定的并網準則中不僅規定風電機組在電網電壓升至1.2Un時不脫網，而且要求機組消耗一定量的無功功率，同時要求無功電流和電網電壓的比值為2：1。綜上所述，各并網準則提出高電壓穿越標準不盡相同，但機組運行時間均不超過1 s。國內尚無此類標準，因此，采用了美國WECC(Western Electricity Coordinating Council)關于高電壓穿越的標準，該標準規定了風電機組必須在電網電壓升高到1.2Un時，機組能夠維持并網1 s。

超級電容儲能系統 (Super Capacitor Energy Storage System，SCESS)由超級電容器組和雙向Buck/Boost變換器組成。在該電路中，V1和VD2構成了降壓斬波電路，主要用來存儲多余能量；V2和VD1構成了升壓斬波電路，主要用于釋放能量。其中對V1與V2采用滯環比較方式觸發，為防止同時導通，并對觸發信號進行互鎖，如圖2所示。

圖2 基于SCESS的風電變流器拓撲結構

2 直驅風電系統控制策略分析

2.1 機側變流器控制策略

機側變流器主要對PMSG控制，實現機械能到電能的轉換，一般采用雙閉環矢量控制即基于轉子磁鏈定向的轉速外環控制以及電流內環控制,如圖3所示。

圖3 機側變流器控制框圖

PMSG在d-q坐標系的電壓方程為：

(1)

式中usd、usq分別為發電機定子電壓的d、q軸分量；isd、isq分別為發電機定子電流的d、q軸分量；Rs為定子電阻；Ld和Lq為發電機d、q軸電感；ωr為發電機轉速。

2.2 網側變流器控制策略

當直驅風電機組正常運行時，網側變流器采用電壓外環雙、電流內環雙閉環控制。將電網電壓合成矢量定向于同步坐標系的d軸，即ud=ugd，ugq=0，在d-q坐標軸上，網側變流器的電壓和功率分別為：

(2)

(3)

式中usd、usq分別為網側變流器電壓的d、q分量；igd、igq分別為網側變流器電流的d、q軸分量；R、L分別為濾波器電阻和電感；ω為電網角頻率；ugd、ugq分別為電網電壓的d軸分量以及q軸分量。

由式(3)可知采用電網電壓定向，能夠實現有功電流和無功電流的解耦，控制d軸電流即控制有功功率，同樣控制q軸電流即控制無功功率。

3 仿真分析

隨著風機單機容量越來越大，本文以2.5 MW直驅風機為仿真模型，并網電壓690 V，經過升壓變壓器與35 kV電網相連，風電機組和電網參數見表1所示。

圖4 網側變流器控制框圖

參數名稱參數值額定電壓/V690額定轉速/(r/min)14極對數p42定子電阻/Ω0.001 5直軸電感/mH1.2交軸電感/mH1.2直流電壓額定值/V1 100串聯電阻/Ω0.54直流側電容器/mF8電網額定頻率/Hz50

文中對于風機在發生三相對稱故障下，使用斬波電路和加超級電容電路兩種運行方式進行仿真驗證。根據第一節介紹的WECC標準，現設定電網電壓在0.8 s時升高到1.2Un，1 s后電網電壓恢復到額定電壓，同時為敘述方便本文所提到的電壓、電流均采用標幺值。

3.1 斬波電路作為卸荷電路

圖5和圖6分別是電網發生故障后的電壓波形和電流波形，0.8 s時電壓驟升至1.2Un電流降至0.4In，到1.8 s逐步恢復正常。圖7所示直流母線電壓，0.8 s直流母線電壓驟升至最大約1 188 V，最小約1 045 V，故障初期網側變流器變化平滑，有效地保護了網側變流器，但是故障恢復時波動較大。圖8所示為網側變流器輸出有功功率、無功功率曲線，故障前按照單位功率因數運行，故障期間有功功率降至1 MW，降幅60%，同時提供約0.3 Mvar感性無功用以幫助電網電壓恢復。可見在電壓驟升情況下，風電機組仍可以正常并網運行，斬波卸荷電路能夠提升風電機組的HVRT能力。

圖5 電網電壓波形

圖6 網側電流波形

圖7 直流母線電壓

圖8 電網側有功功率與無功功率曲線

3.2 超級電容作為卸荷電路

在電網電壓驟升時，利用超級電容儲能系統吸收多余能量，抑制直流側電壓升高，故障結束后，超級電容再將能量釋放到電網。相比于卸荷電路，系統效率得到提高。圖9為電網電壓波形。圖10為電網電流波形。圖11為直流母線電壓，直流電壓最大1 155 V，最小值1 078 V，超級電容能夠迅速穩定直流母線電壓，且故障恢復階段波動較小。圖12所示為網側變流器有功功率、無功功率曲線，相比于斬波卸荷電路，有功功率降至0.8 MW，且波動較小，同時提供約0.3 Mvar無功功率以幫助電網電壓恢復。可見在電網電壓驟升情況下，機組仍能保持并網運行，通過超級電容儲能系統不但能夠有效抑制了直流電容上的波動，提升了直流電容安全穩定運行能力，更有利于提升風電系統的HVRT能力、加速系統有功恢復過程。有關兩種電路HVRT結果的對比如表2所示。